玻璃量器容量自动检定装置及其检定方法

摘要

本发明涉及一种玻璃量器容量自动检定装置和检定方法，量器固定夹具与顶升机构和平移机构相连接，所述顶升机构带动量器固定夹具在竖向上移动，所述平移机构带动量器固定夹具在横向上移动；水槽设置于量器固定夹具下方；通过吸水组件和放水组件控制待测玻璃量器吸水或放水，图像采集设备设置于量器固定夹具侧面，用于获取玻璃量器中的液面高度；上位机与图像采集设备有线或无线连接，上位机通过图形识别判断玻璃量器内的液位信息。本发明能够实现对玻璃量器进行自动检定，降低了人力成本，避免了人为误差，检测精度高，具有良好的重复性，提高了检定效率与可靠性。

说明书

技术领域

本发明属于自动化检测技术领域，涉及一种玻璃量器的容量自动检定装置与检定方法。

背景技术

吸量管作为一种精密液体计量仪器，在各类分析实验中使用非常普遍，其量值是否可靠，直接影响分析测试结果的准确性。为保证液体计量准确，需基于衡量法，由人工对其进行检测，这是目前最可靠和准确的检定方法，由于这个原因，玻璃量器自动化的检定过程长期受到限制。近些年来，玻璃量器的产量加大，检定需求变大，原有的人工检测方法已不能满足计量院对于检定效率与精度的要求，如何实现高精度、自动化检定引起了计量院等检定机构的重视。根据《JJG 196-2006常用玻璃量器》，对于玻璃量器的检定方法有衡量法和容量比较法，其中衡量法是根据玻璃量器所盛纯水的质量和密度，换算出玻璃量器在标准温度20℃时的实际容量。而容量比较法是将被检玻璃量器的容量与标准玻璃量器的容量进行比较。观察被检玻璃量器的容量示值是否在允差范围内。

由于容量比较法人力成本大、工作量大、效率低下，且不具有良好的重复性。因此在实际的检定中，通常采用衡量法，工作效率有所提高、劳动强度有所下降。

目前，由人工采用衡量法对玻璃量器进行检定的方法存在以下几个问题。

（1）易造成人为误差，不具有良好的重复性且效率低、劳动强度大。

（2）需要手动记录天平质量和温度，并进行容量换算，出错风险大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种玻璃量器容量自动检定装置和检定方法，至少达到提高检定效率的目的。

为解决以上技术问题，根据本发明的一个方面，提供一种玻璃量器容量自动检定装置，包括上位机、图像采集设备、气体控制管路、顶升机构、平移机构、量器固定夹具和水槽；

所述量器固定夹具与顶升机构和平移机构相连接，所述顶升机构带动量器固定夹具在竖向上移动，所述平移机构带动量器固定夹具在横向上移动； 水槽设置于量器固定夹具下方；

所述气体控制管路包括连接软管、吸水组件和放水组件；连接软管具有前端口、末端口、吸水接口和放水接口，吸水接口和放水接口开设于连接软管中部管壁上，连接软管的前端口连接玻璃量器，吸水组件和放水组件分别与连接软管的吸水接口和放水接口相连接，通过吸水组件和放水组件控制待测玻璃量器吸水或放水。

所述的图像采集设备设置于量器固定夹具侧面，用于获取玻璃量器中的液面高度；

所述的上位机与图像采集设备有线或无线连接，上位机通过图像识别判断玻璃量器内的液位信息。

进一步地，所述水槽中设置有用于检测水温的温度传感器。

进一步地，包括用于照射玻璃量器的光源，光源设置在图像采集设备对面。

进一步地，所述的吸水组件包括第一蠕动泵和第一电磁阀，第一电磁阀的两个端口分别连接第一蠕动泵和吸水接口；所述的放水组件包括第二蠕动泵和第二电磁阀，第二电磁阀的两个端口分别连接第二蠕动泵和放水接口；连接软管的末端口设置第三电磁阀。

进一步地，所述的顶升机构包括两个立柱，和设置于所述立柱底部的第一丝杆步进电机。

进一步地，所述的平移机构包括横梁和设置于横梁一端的第二丝杆步进电机，所述横梁两端分别与两个立柱顶部相连接。

根据本发明的另一方面，提供一种采用以上装置实施的玻璃量器容量自动检定方法，包括以下步骤：

步骤一，将待检玻璃量器固定于量器固定夹具；

步骤二，在上位机中输入待检玻璃量器的型号，从数据库中获取对应的吸水位置S1，提起位置S2，横向移动位置S3，吸水速度参数V1，放水速度参数V2；

步骤三，启动顶升机构，使待检玻璃量器下降至吸水位置S1，以速度以V1速度从水槽吸水，玻璃量器内的液面上升；检测吸水液位，当检测到吸水液面经过待检刻度线上方的矩形区域时，停止吸水；

步骤四，再次启动顶升机构，待检玻璃量器上移至提起位置S2；以V2速度放水，玻璃量器内的液面下降；检测放水液位，当检测到凹液面最底端与待检刻度线相切时，停止放水；

步骤五，启动平移机构，使检玻璃量器横向移动至位置S3；

步骤六，使连接软管末端口与大气连通，待检玻璃量器管内液体流出至分析天平；

步骤七，读取天平质量并保存，检定结束。

进一步地，吸水液位检测方法如下：

步骤一，将图像采集设备采集的图像进行灰度化处理；

步骤二，在待检定刻度线上方生成一个矩形区域；

步骤三，检测相邻两帧图像在此区域内的灰度差，设定阈值M，若灰度差大于M，则说明有液面经过；反之说明没有液面经过。

进一步地，放水液位检测方法如下：

步骤一，将图像采集设备采集的图像进行灰度化处理；

步骤二，检测背景灰度，将背景灰度值划分为不同的区间，20-40，41-60，61-80，81-100，101-120，121-140，141-160，161-180，181-200，201-220，221-240，241-255，不同区间对应不同的二值化阈值，由此确定二值化处理的阈值H；

步骤三，进行形态学处理，对处理后的图像进行图像分割，只保留玻璃量器所在位置的图像；

步骤四，以H为阈值对分割后的图像进行二值化，得到仅有黑白颜色的图像；

步骤五，统计二值图像在竖直方向上投影的黑色像素数量N；

步骤六，判断N是否大于阈值Q，如果N大于Q则说明是液面，反之则说明不是液面。

与现有技术相比，本发明一方面通过气体控制管路、顶升机构和平移机构实现玻璃量器自动吸水和排水；另一方面，在上位机中使用数据库保存了不同型号玻璃量器的控制参数与位置参数，极大地提高了检测效率与精度，并且能够实现所有型号玻璃量器的自动检定；并针对抽水过程与放水过程中不同的液位形状差异，采用不同的液位检测方法。本发明能够实现对玻璃量器进行自动检定，降低了人力成本，避免了人为误差，检测精度高，具有良好的重复性，提高了检定效率与可靠性。

附图说明

图1是本发明中检定装置的结构示意图。

图2是本发明中STM32单片机的连接示意图。

图3是本发明检定方法流程图。

图4是本发明中上位机软件界面图。

图中，1-图像采集设备，2-量器固定夹具，3-水槽，4-连接软管，5-玻璃量器，6-光源，7-第一蠕动泵，8-第一电磁阀，9-第二蠕动泵，10-第二电磁阀，11-第三电磁阀，12-横梁，13-立柱，14-第一丝杆步进电机，15-第二丝杆步进电机，16-温度传感器。

具体实施方式

本发明一种典型的实施方式提供的一种玻璃量器容量自动检定装置，包括上位机、图像采集设备1、气体控制管路、顶升机构、平移机构、量器固定夹具2和水槽3。

如图1所示，所述量器固定夹具2与顶升机构和平移机构相连接，所述顶升机构带动量器固定夹具2在竖向上移动，所述平移机构带动量器固定夹具2在横向上移动；水槽3设置于量器固定夹具2下方。

所述气体控制管路包括连接软管4、吸水组件和放水组件，连接软管具有前端口、末端口、吸水接口和放水接口，吸水接口和放水接口开设于连接软管4中部管壁上，连接软管4的前端口连接玻璃量器5，吸水组件和放水组件分别与连接软管4的吸水接口和放水接口相连接，通过吸水组件和放水组件控制待测玻璃量器吸水或放水。

所述的图像采集设备1设置于量器固定夹具2和玻璃量器5的侧面，用于获取玻璃量器5中的液面高度。

所述的上位机与图像采集设备有线或无线连接，上位机通过图形识别判断玻璃量器内的液位信息。

如图1所示，光源6设置在图像采集设备对面。图像采集设备1实时采集液位图像，通过以太网输送至上位机，上位机通过图像识别判断玻璃量器内的液位信息。

在一种优选的实施方式中，气体控制管路中的连接软管采用硅胶软管。所述的吸水组件包括第一蠕动泵7和第一电磁阀8，所述的放水组件包括第二蠕动泵9和第二电磁阀10，连接软管4的末端口设置第三电磁阀11。第一蠕动泵7、第二蠕动泵9的入口均与大气连通，第一蠕动泵7的出口与第一电磁阀8的入口连通，第二蠕动泵9的出口与第二电磁阀10的入口连通，第三电磁阀11的入口与大气连通，第一电磁阀8、第二电磁阀10和第三电磁阀11的出口与连接软管4上的入口连通，连接软管4的出口与待检玻璃量器5的顶部连接。检定开始前，待检玻璃量器5的顶端的底端与大气连通。

在另一种优选的实施方式中，如图1所示，量器固定夹具2设置于龙门架上，龙门架主框架由双立柱及横梁12构成。在此结构基础上，顶升机构包括上述两个立柱13，和设置于所述每个立柱13底部的第一丝杆步进电机14。所述的平移机构包括横梁12和设置于横梁12一端的第二丝杆步进电机15，所述横梁12两端分别与两个立柱13顶部相连接。

两个第一丝杆步进电机14可以控制玻璃量器5的竖直位置，第二丝杆步进电机15可以控制玻璃量器5的水平位置。抽水时，玻璃量器5下移至底部伸入水槽3，打开第一电磁阀8与第一蠕动泵9，当抽水速度较慢时，第一蠕动泵9一秒内的通电时间较短；当抽水速度较快时，第一蠕动泵9一秒内的通电时间较长。放水时，打开第二电磁阀10与第二蠕动泵11，当放水速度较慢时，第二蠕动泵11一秒内的通电时间较短；当放水速度较快时，第二蠕动泵11一秒内的通电时间较长。检定过程中，通过图像采集设备1获取玻璃量器中的液面位置，通过光源6提供稳定光照，通过温度传感器16测量温度值，获取检定所需的实验数据，完成对玻璃量器容量的检定。

如图2所示，玻璃量器5的容量自动检定装置采用PC作为上位机、STM32单片机作为下位机的形式，这样保证了数据采集和控制的实时性和可靠性。STM32单片机采用超低功耗的ARM Cortex-M4处理器内核，具有3个16通道12位的us级的A/D转换器和2通道12位D/A转换器，提供112个I/O端口，11个定时器和13个通信接口，通过RS-485通信口与计算机相连。

在该系统中，主要采集的数据为温度信号，水槽3中设置用于检测水温的温度传感器16。温度传感器16是将温度信号转换为电压信号，是标准的5-30mV信号，需要电压调理电路将所测电压值转化为0～3.3V，输入电压通过STM32的A/D转换模块转换为16位数字量，该模块具有12位分辨率。

在该系统中，需要控制的是蠕动泵、电磁阀、步进电机，对三者的控制主要通过开关量控制，通过I/O口继电器输出进行控制，12V DC隔离输出，达到控制蠕动泵、电磁阀、步进电机开启和关闭的目的。

如图4所示是上位机的软件界面，左侧有窗口可以实时显示图像采集设备的画面，蓝线表示手动标定的刻线位置，绿框表示待鉴定区域，只有液面进入此区域才进行检测，红线表示识别到的液面，绿框中的蓝色矩形框表示待检灰度变化区域，对液面的检测分为抽水过程的检测与放水过程的检测，在抽水过程中，液面形状形态不一，很多时候没有凹液面，只有一条透明的带状区域，所以采用检验灰度变化的方式，当检测到蓝色矩形框中的灰度变化时即认为有液面经过；在放水过程中，通过图像处理的方式得到凹液面的位置并在图中以红线画出，计算红线与蓝线的坐标差，对第二蠕动泵9做PID控制，距离越接近则蠕动泵通电时间越小，放水速度越慢，当凹液面与刻度线刚好相切时，关闭第二蠕动泵9与第二电磁阀10，精度可达0.1mm。

如图3所示是采用本装置进行自动检定的流程图。通过本地PC打开上位机软件，进入自动检定功能页面，选择待检玻璃量器的型号，系统会从数据库中读取此型号玻璃量器对应的参数，包括第一蠕动泵7的通电时间参数、第二蠕动泵9的通电时间参数、第一、二丝杆步进电机的位置参数等。

完成型号的选择后，进入玻璃量器的自动检定过程， 检定完成后可选择将检测结果导出EXCLE表格，也可选择再次检定或退出程序，退出程序前，会自动进行蠕动泵、电磁阀的关闭以及步进电机的复位。

基于以上提供的装置，本发明提供的玻璃量器容量自动检定方法，包括以下步骤：

步骤一，将待检玻璃量器固定于量器固定夹具；

步骤二，在上位机中输入待检玻璃量器的型号，从数据库中获取对应的吸水位置S1，提起位置S2，横向移动位置S3，吸水速度参数V1，放水速度参数V2；

步骤三，启动顶升机构，使待检玻璃量器下降至吸水位置S1，以速度以V1速度从水槽吸水，玻璃量器内的液面上升；图像采集设备检测吸水液位，当检测到吸水液面经过待检刻度线上方的矩形区域时，停止吸水；

步骤四，再次启动顶升机构，待检玻璃量器上移至提起位置S2；以V2速度放水，玻璃量器内的液面下降；图像采集设备检测放水液位，当检测到凹液面最底端与待检刻度线相切时，停止放水；

步骤五，启动平移机构，使检玻璃量器横向移动至位置S3；

步骤六，使连接软管末端口与大气连通，待检玻璃量器管内液体流出至分析天平；

步骤七，读取天平质量并保存，检定结束。

在以上检定方法中，由于玻璃量器长短不一，在上位机中建立数据库保存了所有型号玻璃量器的位置参数，即纵向移动距离与横向移动距离。

由于玻璃量器粗细不一，在上位机中建立数据库保存了所有型号玻璃量器的抽水速度参数与放水速度参数（蠕动泵在1秒内的通电时间T），即细管径的玻璃量器抽、放水速度慢（T较小），粗管径的玻璃量器反之（T较大），实现控制个性化，同时极大地提高了检测效率与检测精度，满足不同型号玻璃量器的检测需求。

上述数据库在软件中提供了修改的接口，操作人员可以根据自己的检测需求自行调试。

上位机液位识别包括两个部分：抽水过程的液位识别和放水过程的液位识别。在抽水过程中，水位呈上升状态，导致液位形状不规律，有时表现为一条透明的带状区域，无明显的凹液面；在放水过程中，存在稳定、明显的凹液面。基于液面形状的不同，采用不同的检测算法。

吸水液位检测方法如下：

步骤一，将图像采集设备采集的图像进行灰度化处理；

步骤二，在待检定刻度线上方生成一个矩形区域；

步骤三，检测相邻两帧图像在此区域内的灰度差，设定阈值M，若灰度差大于M，则说明有液面经过；反之说明没有液面经过。

放水液位检测方法如下：

步骤一，将图像采集设备采集的图像进行灰度化处理；

步骤二，检测背景灰度，将背景灰度值划分为不同的区间，20-40，41-60，61-80，81-100，101-120，121-140，141-160，161-180，181-200，201-220，221-240，241-255，不同区间对应不同的二值化阈值，由此确定二值化处理的阈值H；

步骤三，进行形态学处理，对处理后的图像进行图像分割，只保留玻璃量器所在位置的图像；

步骤四，以H为阈值对分割后的图像进行二值化，得到仅有黑白颜色的图像；

步骤五，统计二值图像在竖直方向上投影的黑色像素数量N；

步骤六，判断N是否大于阈值Q（Q的大小由实验确定），如果N大于Q则说明是液面，反之则说明不是液面。

根据本发明提供的检定方法，在上位机中使用数据库保存了不同型号玻璃量器的控制参数与位置参数，极大地提高了检测效率与精度，并且能够实现所有型号玻璃量器的自动检定；针对抽水过程与放水过程中不同的液位形状差异，采用不同的液位检测方法。本发明自动检定重复性好，能够满足不同型号玻璃量器的检测需求，检测精度和检测效率高。